Введение

Подвеска – это система, включающая шины, воздух в шинах, пружины, амортизаторы и элементы соединения, которая связывает автомобиль с его колесами и обеспечивает относительное движение между ними. Системы подвески должны обеспечивать как хорошее сцепление с дорогой и управляемость, так и комфорт при езде, которые являются взаимоисключающими требованиями. Настройка подвески заключается в поиске оптимального баланса между этими характеристиками. Важно, чтобы колесо постоянно оставалось в контакте с дорожным покрытием, поскольку все силы, действующие на автомобиль от дороги или поверхности, передаются через пятно контакта шины. Подвеска также защищает сам автомобиль, а также перевозимый груз и багаж от повреждений и износа. Конструкция передней и задней подвески автомобиля может различаться.

История

Ранняя форма подвески на телегах, запряженных волами, представляла собой платформу, качающуюся на железных цепях, прикрепленных к колесной раме повозки. Эта система оставалась основой для большинства систем подвески до начала XIX века, хотя к XVII веку железные цепи были заменены кожаными ремнями, называемыми "thoroughbraces". Ни один современный автомобиль не использовал систему подвески с использованием "thoroughbraces". Примерно к 1750 году листовые рессоры начали появляться на определенных типах экипажей, таких как Landau. К середине XIX века на экипажах могли дополнительно начать использовать эллиптические рессоры.

Современная подвеска

Автомобили изначально разрабатывались как самоходные версии конных экипажей. Однако конные экипажи были спроектированы для относительно низких скоростей, и их подвеска не подходила для более высоких скоростей, обеспечиваемых двигателем внутреннего сгорания. Первая работоспособная пружинная подвеска требовала передовых металлургических знаний и умений и стала возможной только с развитием индустриализации. Обадия Эллиот зарегистрировал первый патент на транспортное средство с пружинной подвеской; каждое колесо имело две прочные стальные листовые рессоры с каждой стороны, а кузов экипажа крепился непосредственно к рессорам, которые были прикреплены к осям. В течение десятилетия большинство британских конных экипажей были оснащены рессорами: деревянными рессорами в случае легких однолошадных экипажей, чтобы избежать налогообложения, и стальными рессорами в более крупных экипажах. Они часто изготавливались из низкоуглеродистой стали и обычно имели форму многослойных листовых рессор. Листовые рессоры известны с времен Древнего Египта. Древние военные инженеры использовали листовые рессоры в виде луков для привода своих осадных машин, но поначалу это было малоэффективно. Использование листовых рессор в катапультах позже было усовершенствовано и сделано работоспособным спустя годы. Рессоры изготавливались не только из металла; прочную ветку дерева можно было использовать в качестве рессоры, например, в луке. Эту систему использовали в конных экипажах и Ford Model T, и она до сих пор применяется в больших транспортных средствах, в основном в задней подвеске. Листовые рессоры были первой современной системой подвески, и вместе с достижениями в строительстве дорог ознаменовали собой самое значительное улучшение в автомобильном транспорте до появления автомобиля. Британские стальные рессоры не подходили для использования на неровных дорогах Америки того времени, поэтому компания Abbot Downing Company из Конкорда, штат Нью-Гэмпшир, вновь ввела кожаную ременную подвеску, которая обеспечивала качающееся движение вместо вертикальных колебаний пружинной подвески. В 1901 году компания Mors из Парижа впервые оснастила автомобиль амортизаторами. Благодаря преимуществам демпфированной системы подвески на своей «Машине Морс» Анри Фурнье выиграл престижную гонку Париж — Берлин 20 июня 1901 года. Лучшее время Фурнье составило 11 часов 46 минут 10 секунд, в то время как лучший результат у конкурента, Леонса Жирардо на Panhard, составил 12 часов 15 минут 40 секунд. Винтовые пружины впервые появились на серийном автомобиле в 1906 году в Brush Runabout, произведенном Brush Motor Company. Сегодня винтовые пружины используются в большинстве автомобилей. В 1920 году компания Leyland Motors использовала торсионные балки в системе подвески. В 1922 году независимая передняя подвеска была впервые применена на Lancia Lambda и стала более распространенной в автомобилях массового рынка с 1932 года. Сегодня большинство автомобилей имеют независимую подвеску на всех четырех колесах. Деталь, на которой поддерживались рессоры до 1950 года, называется "тупой железкой" (dumb iron). В 2002 году Малькольм Смит изобрел новый пассивный компонент подвески – инертер. Он позволяет увеличить эффективную инерцию подвески колеса с помощью редукторного маховика, не добавляя значительной массы. Первоначально он использовался в Формуле-1 в секрете, но с тех пор распространился на более широкий спектр автоспорта.

Различие между задней и передней подвеской

Для автомобилей с передним приводом задняя подвеска имеет небольшое количество ограничений, и используются различные типы зависимых и независимых подвесок. Для автомобилей с задним приводом задняя подвеска подвержена большому количеству ограничений, и разработка более совершенной, но и более дорогой независимой подвески оказалась сложной задачей.

История

Модель T Генри Форда использовала трубку крутящего момента для ограничения этой силы, поскольку её дифференциал крепился к шасси боковой листовой рессорой и двумя узкими тягами. Трубка крутящего момента окружала карданный вал и передавала усилие на шаровой шарнир в самой задней части коробки передач, которая была прикреплена к двигателю. Подобный метод использовался в конце 1930-х годов компаниями Buick и Hudson в автомобиле 1948 года выпуска, известном как "bathtub car", который использовал витые пружины, не способные воспринимать продольную тягу. Система задней подвески Hotchkiss, изобретенная Альбертом Хочкиссом, была самой популярной в американских автомобилях с 1930-х по 1970-е годы. Она использует продольные листовые рессоры, прикрепленные к дифференциалу ведущего моста спереди и сзади. Эти рессоры передают крутящий момент на раму. Несмотря на неприятие со стороны многих европейских автопроизводителей того времени, американские производители приняли её из-за низкой стоимости производства. Кроме того, динамические недостатки этой конструкции компенсировались большим весом американских легковых автомобилей до введения стандарта экономии топлива (CAFE). Другой француз изобрел трубу Де Дион, которую иногда называют "полузависимой". Как и полностью независимая задняя подвеска, она использует два карданных шарнира или их аналоги, соединяющие центр дифференциала с каждым колесом. Однако колеса не могут полностью перемещаться независимо друг от друга, поскольку они соединены вилкой, охватывающей дифференциал снизу и сзади. Этот метод не получил широкого распространения в Соединенных Штатах. Его применение около 1900 года, вероятно, было связано с низким качеством шин, которые быстро изнашивались. За счет уменьшения неподрессоренной массы, как это делают независимые задние подвески, срок их службы увеличивался. Современные автомобили с задним приводом часто используют довольно сложную полностью независимую многорычажную подвеску для надежного крепления задних колес и обеспечения комфортной езды.

Спринг-тариф

Жесткость пружины (или жесткость подвески) является параметром, определяющим высоту дорожного просвета транспортного средства или его положение в ходе работы подвески. Когда пружина сжимается или растягивается, сила, которую она оказывает, пропорциональна изменению ее длины. Жесткость пружины, или коэффициент упругости пружины, – это изменение силы, которую она оказывает, деленное на изменение деформации пружины. Транспортные средства, перевозящие тяжелые грузы, часто оснащаются более жесткими пружинами для компенсации дополнительного веса, который в противном случае привел бы к проседанию транспортного средства до предела хода (упора). Более жесткие пружины также используются в спортивных автомобилях, где испытываются более значительные нагрузки. Слишком жесткие или слишком мягкие пружины делают подвеску неэффективной – в основном из-за того, что они не обеспечивают должной изоляции кузова от дорожных неровностей. Транспортные средства, которые регулярно подвергаются нагрузкам на подвеску, превышающим нормальные, имеют жесткие пружины, жесткость которых близка к верхнему пределу для веса данного транспортного средства. Это позволяет транспортному средству правильно функционировать под большой нагрузкой, когда управляемость ограничена инерцией груза. Поездка в пустом грузовике, предназначенном для перевозки грузов, может быть некомфортной для пассажиров из-за его высокой жесткости пружин по отношению к весу транспортного средства. Гондочный автомобиль также можно описать как имеющий жесткие пружины, и поездка в нем также будет неровной. Однако, даже если мы говорим, что у обоих жесткие пружины, фактические значения жесткости для гоночного автомобиля и грузовика сильно различаются. Легковые автомобили класса люкс, такси или пассажирские автобусы описываются как имеющие мягкие пружины для комфорта пассажиров или водителя. Транспортные средства с изношенными или поврежденными пружинами опускаются ниже к земле, что уменьшает общий доступный ход сжатия подвески и увеличивает крен кузова. Для спортивных автомобилей иногда могут предъявляться требования к жесткости пружин, отличные от веса и нагрузки транспортного средства.

Скорость колеса

Коэффициент жёсткости колеса – это эффективный коэффициент упругости, измеренный на колесе, в отличие от измерения только коэффициента упругости пружины. Коэффициент жёсткости колеса обычно равен или значительно меньше коэффициента упругости пружины. Обычно пружины устанавливаются на рычаги управления, маятниковые рычаги или другие поворотные элементы подвески. Рассмотрим пример выше, где коэффициент упругости пружины был рассчитан как 500 фунтов на дюйм (87,5 Н/мм). Если перемещать колесо (не перемещая автомобиль), пружина, скорее всего, сожмётся на меньшую величину. Если пружина перемещается, передаточное отношение рычага составит 0,75:1. Коэффициент жёсткости колеса рассчитывается путем умножения квадрата этого отношения (0,5625) на коэффициент упругости пружины, что дает 281,25 фунтов на дюйм (49,25 Н/мм). Отношение возводится в квадрат, поскольку оно оказывает двойное влияние на коэффициент жёсткости колеса: оно применяется как к силе, так и к пройденному расстоянию. Расчёт коэффициента жёсткости колеса для независимой подвески достаточно прост. Однако, особые соображения необходимо учитывать для некоторых конструкций зависимой подвески. Рассмотрим случай с прямой осью. При взгляде спереди или сзади коэффициент жёсткости колеса можно измерить описанным выше способом. Однако, поскольку колёса не являются независимыми, при взгляде сбоку во время ускорения или торможения точка поворота находится в бесконечности (поскольку оба колеса перемещаются), а пружина расположена прямо на линии с пятном контакта колеса. В результате эффективный коэффициент жёсткости колеса при повороте часто отличается от коэффициента при ускорении и торможении. Это изменение коэффициента жёсткости колеса можно минимизировать, разместив пружину как можно ближе к колесу. Коэффициенты жёсткости колёс обычно суммируются и сравниваются с полной массой автомобиля для определения "коэффициента комфорта" и соответствующей собственной частоты подвески при движении (также называемой "колебанием"). Это может быть полезно для создания метрики жёсткости подвески и определения требуемого хода подвески для автомобиля.

Скорость прокачки

Кре́н аналоги́чен жёсткости подвески автомобиля, но для действий, включа́ющих боко́вые перегру́зки, вызыва́ющие кре́н неподрессо́ренной массы автомобиля. Он выража́ется в крутя́щем моме́нте на градус кре́на неподрессо́ренной массы автомобиля. На него́ влия́ют такие факто́ры, как, но не ограни́чиваясь ими, неподрессо́ренная масса автомобиля, колея́, высота центра тяже́сти, жёсткость пружи́н и амортиза́торов, высота центра кре́на передней и задней оси, жёсткость стабилиза́тора по́перечной устойчи́вости и давле́ние/конструкция шин. Кре́н автомобиля может и обычно́ отличается для передней и задней оси, что позволяет настраивать автомобиль для динами́ческой и ста́тической управля́емости. Кре́н автомобиля не изменя́ет о́бщее коли́чество перераспределе́ния веса на автомобиле, но смеща́ет ско́рость и процент перераспределе́ния веса с о́дной оси на дру́гую через шасси́ автомобиля. В о́бщем, чем вы́ше кре́н на оси автомобиля, тем быстре́е и в бо́льшем проценте происходит перераспределе́ние веса на э́ту ось. К 2021 году некоторые автомобили предлага́ли динами́ческий контроль кре́на с регулируемой по высоте пневмати́ческой подвеской и адаптивными амортиза́торами.

Процент крутящего момента

Процент влияния крена – это упрощенный метод описания распределения боковой нагрузки между передней и задней осями, и, как следствие, настройки баланса управляемости. Это эффективная жесткость подвески в крене каждой оси автомобиля, выраженная в виде отношения к общей жесткости подвески автомобиля в крене. Обычно она регулируется с помощью стабилизаторов поперечной устойчивости, но также может быть изменена путем использования пружин с разными характеристиками.

Передача веса

Передача веса при повороте, ускорении или торможении обычно рассчитывается для каждого отдельного колеса и сравнивается со статическим весом этого же колеса. На общую величину передачи веса влияют только четыре фактора: расстояние между центрами колес (межколесная база в случае торможения или колея в случае поворота), высота центра тяжести, масса транспортного средства и величина ускорения. Скорость, с которой происходит передача веса, а также компоненты, через которые она осуществляется, являются сложными и определяются множеством факторов, включая, но не ограничиваясь: высота центра крена, жесткость пружин и амортизаторов, жесткость стабилизатора поперечной устойчивости и кинематическая схема элементов подвески. В большинстве традиционных конструкций, когда вес передается через упругие элементы, такие как пружины, амортизаторы и стабилизаторы поперечной устойчивости, передачу веса называют "эластичной", а вес, передаваемый через более жесткие элементы подвески, такие как рычаги и тяги, – "геометрической".

Передача весов без пружин

Передача массы непружинящих элементов рассчитывается на основе веса компонентов автомобиля, которые не поддерживаются пружинами. Это включает в себя шины, колеса, тормоза, шкворни, половину веса рычагов подвески и другие компоненты. Для целей расчета эти компоненты предполагаются соединенными с автомобилем с нулевой пружинящей массой. Затем они подвергаются тем же динамическим нагрузкам. Передача массы при повороте спереди будет равна общей массе передних непружинящих элементов, умноженной на ускорение свободного падения и высоту центра тяжести передних непружинящих элементов, разделенной на ширину передней колеи. То же самое справедливо и для задней оси.

Передача весов

Передача веса на пружинах – это вес, переносимый только за счет веса автомобиля, действующего на пружины, а не общей массы автомобиля. Для расчета этого необходимо знать вес автомобиля, приходящийся на пружины (общий вес минус вес неподрессоренных элементов), высоты переднего и заднего центров крена и высоту центра тяжести автомобиля, находящегося под нагрузкой пружин (используется для расчета плеча момента крена). Для расчета передачи веса на передние и задние пружины также необходимо знать процент распределения крена. Ось крена – это линия, проходящая через передний и задний центры крена, вокруг которой автомобиль кренится при повороте. Расстояние от этой оси до высоты центра тяжести автомобиля является длиной плеча момента крена. Общая передача веса на пружины равна силе перегрузки, умноженной на вес, приходящийся на пружины, умноженной на длину плеча момента крена, деленной на эффективную колею. Передача веса на передние пружины рассчитывается путем умножения процента распределения крена на общую передачу веса на пружины. Передача веса на задние пружины равна общей передаче веса на пружины минус передача веса на передние пружины.

Силы взрыва

Силы домкратного эффекта – это сумма вертикальных составляющих сил, действующих на элементы подвески. Результирующая сила стремится приподнять неподрессоренную массу, если центр крена расположен выше плоскости дороги, или сжать её, если он расположен ниже. Как правило, чем выше центр крена, тем сильнее проявляется эффект домкрата.

Путешествия

Ход подвески – это величина расстояния от нижней точки хода подвески (например, когда автомобиль поднят на домкрате и колесо свободно висит) до верхней точки хода подвески (например, когда колесо автомобиля больше не может двигаться вверх к кузову). Пробой или отрыв колеса от земли могут привести к серьезным проблемам с управляемостью или непосредственным повреждению деталей. Пробой может быть вызван тем, что подвеске, шинам, крыльям и т.д. не хватает хода, или кузов или другие компоненты автомобиля касаются дороги. Проблемы с управляемостью, вызванные отрывом колеса от земли, менее серьезны, если колесо отрывается, когда пружина достигает своей ненагруженной длины, чем если ход ограничен контактом элементов подвески (см. Triumph TR3B). Многие внедорожные автомобили, такие как раллийные машины для пустыни, используют ограничительные ремни, чтобы ограничить ход подвески вниз до безопасной точки для рычагов и амортизаторов. Это необходимо, поскольку эти автомобили предназначены для движения по очень пересеченной местности на высоких скоростях и даже для кратковременных полетов. Без ограничителя хода подвески все усилие будет приходиться на сайлентблоки, когда подвеска достигнет максимального вывешивания, и это может даже привести к выходу витых пружин из своих посадочных мест, если они удерживаются только силой сжатия. Ограничительный ремень – это простой ремень, обычно нейлоновый, заданной длины, который останавливает движение вниз в заранее установленной точке до достижения теоретического максимального хода. Противоположностью ему является "отбойник", который защищает подвеску и автомобиль (а также пассажиров) от сильного пробоя подвески, вызванного столкновением с препятствием (или жесткой посадкой), когда подвеска исчерпывает ход вверх, не полностью поглотив энергию удара. Без отбойников автомобиль, который пробился, испытает сильный удар при контакте подвески с нижней частью рамы или кузова, который передастся пассажирам и всем соединениям и сварным швам автомобиля. Заводские автомобили часто оснащаются простыми резиновыми упорами для поглощения наихудших нагрузок и изоляции удара. Для раллийного автомобиля в пустыне, который должен постоянно поглощать гораздо большие ударные нагрузки, могут быть предусмотрены пневматические или гидропневматические отбойники. Это, по сути, миниатюрные амортизаторы (демпферы), которые крепятся к автомобилю в таком месте, чтобы подвеска контактировала с концом поршня при приближении к пределу хода вверх. Они поглощают удар гораздо эффективнее, чем твердый резиновый отбойник, что крайне важно, поскольку резиновый отбойник считается аварийным изолятором "последнего шанса" для случайного пробоя подвески; он совершенно недостаточен для поглощения повторяющихся и сильных пробоев, с которыми сталкивается высокоскоростной внедорожный автомобиль.

Опорожнение

Демпфирование – это управление движением или колебаниями, как, например, при использовании гидравлических затворов и клапанов в амортизаторе автомобиля. Оно может изменяться как намеренно, так и непреднамеренно. Подобно жесткости пружины, оптимальное демпфирование для комфорта может быть меньше, чем для управляемости. Демпфирование контролирует скорость хода и сопротивление подвески автомобиля. Автомобиль без демпфирования будет продолжать колебаться вверх и вниз. При правильном уровне демпфирования автомобиль быстро вернется в нормальное положение. В большинстве современных автомобилей демпфирование регулируется путем изменения сопротивления потоку жидкости в амортизаторе.

Контроль камеры

См. зависимые и независимые параметры ниже. Изменения развала возникают из-за хода колес, крена кузова и деформации или упругости элементов подвески. В общем случае, шина лучше всего изнашивается и тормозит при развале от 1 до 2° от вертикали. В зависимости от типа шины и дорожного покрытия, оптимальный угол сцепления может быть немного другим. Небольшие изменения развала спереди и сзади могут использоваться для настройки управляемости. Некоторые гоночные автомобили настраиваются с развалом от 2 до 7°, в зависимости от желаемого типа управляемости и конструкции шины. Часто чрезмерный развал приводит к снижению эффективности торможения из-за уменьшения площади пятна контакта вследствие сильных изменений развала в геометрии подвески. Величина изменения развала при сжатии определяется мгновенной длиной передней оси поворота (FVSA) геометрии подвески, или, другими словами, склонностью шины к наклону внутрь при сжатии.

Высота центра ролика

Высота центра крена является результатом высот мгновенных центров подвески и служит полезным показателем при анализе эффектов перераспределения веса, крена кузова и распределения жесткости крена между передней и задней осями. Традиционно, распределение жесткости крена настраивается регулировкой стабилизаторов поперечной устойчивости, а не высоты центра крена (поскольку оба фактора оказывают схожее влияние на массу, воспринимающую дорожные неровности), однако высота центра крена имеет существенное значение при оценке величины сил, возникающих при изменении дорожного просвета.

Немедленный центр

Из-за того, что движение колеса и шины ограничено элементами подвески автомобиля, траектория движения колеса в проекции спереди описывает воображаемую дугу в пространстве с "мгновенным центром" вращения в любой точке его пути. Мгновенный центр для любого колеса можно определить, проведя воображаемые линии через элементы подвески до точки их пересечения. Компонента вектора силы шины направлена от пятна контакта шины к мгновенному центру. Чем больше эта компонента, тем меньше перемещений подвески. Теоретически, если результирующая вертикальной нагрузки на шину и боковой силы, создаваемой ею, направлена точно в мгновенный центр, элементы подвески не будут перемещаться. В этом случае вся перераспределение веса на данной оси автомобиля будет носить геометрический характер. Эта информация ключевая при определении центра крена, основанного на силах. В связи с этим, мгновенные центры имеют большее значение для управляемости автомобиля, чем один лишь кинематический центр крена, поскольку соотношение между геометрическим и упругим перераспределением веса определяется силами, действующими на шины, и их направлением относительно положения соответствующих мгновенных центров.

Противопогруженный и антиприседающий

Процент антиныря и антиприседа указывает на степень, в которой передняя часть автомобиля ныряет при торможении, а задняя – приседает при ускорении. Их можно рассматривать как аналоги торможения и ускорения, подобно тому, как силы джекинга соотносятся с поворотами. Основная причина различия заключается в различных целях проектирования передней и задней подвесок, в то время как подвеска обычно симметрична между левой и правой сторонами автомобиля. Метод определения антиныря или антиприседа зависит от того, реагируют ли элементы подвески на крутящий момент при торможении и ускорении. Например, при установке тормозов внутри диска и полушахтенном приводе задних колес элементы подвески не реагируют, но при наружной установке тормозов и приводе на ось они реагируют. Для определения процента антиныря передней подвески при наружной установке тормозов, сначала необходимо определить тангенс угла между линией, проведенной в боковой проекции через пятно контакта переднего колеса и мгновенный центр подвески, и горизонталью. Кроме того, необходимо знать процент тормозного усилия, приходящегося на передние колеса. Затем умножьте тангенс на процент тормозного усилия передних колес и разделите на отношение высоты центра тяжести к колесной базе. Значение 50% означает, что половина веса передается на передние колеса во время торможения и передается через элементы передней подвески, а другая половина – через пружины передней подвески. Для тормозов, установленных внутри диска, используется та же процедура, но вместо центра пятна контакта используется центр колеса. Антиприсед при ускорении рассчитывается аналогичным образом и с той же зависимостью между процентом и передачей веса. Значения антиприседа 100% и выше обычно используются в драг-рейсинге, но значения 50% или меньше чаще встречаются в автомобилях, которым требуется интенсивное торможение. Более высокие значения антиприседа часто вызывают подпрыгивание колес при торможении. Важно отметить, что значение 100% означает, что вся передача веса осуществляется через элементы подвески. Однако это не означает, что подвеска не способна выдерживать дополнительные нагрузки (аэродинамические, при поворотах и т.д.) во время торможения или ускорения. Иными словами, не следует подразумевать какого-либо "блокирования" подвески.

Режимы гибкости и вибрации элементов подвески

В некоторых современных автомобилях гибкость обеспечивается главным образом резиновыми сайлентблоками, которые со временем разрушаются. Для подвесок, испытывающих высокие нагрузки, например, у внедорожников, доступны полиуретановые сайлентблоки, которые обладают большей долговечностью при больших напряжениях. Однако, из-за соображений веса и стоимости, конструкции не делают жестче, чем это необходимо. Некоторые автомобили подвержены нежелательным вибрациям, возникающим из-за деформации элементов конструкции, например, при ускорении в крутом повороте. Гибкость конструкций, таких как рамы и рычаги подвески, также может способствовать работе подвески, особенно в гашении высокочастотных колебаний. Гибкость спицованных колес способствовала их популярности во времена, когда автомобили имели менее совершенные подвески.

Выравнивание нагрузки

Автомобили могут быть сильно загружены багажом, пассажирами и прицепами. Эта загрузка приводит к опусканию задней части автомобиля. Поддержание постоянного уровня шасси необходимо для обеспечения управляемости, заложенной в конструкцию автомобиля. Встречные водители могут быть ослеплены светом фар. Самовыравнивающаяся подвеска компенсирует это, накачивая цилиндры в подвеске для поднятия шасси.

Изоляция от высокочастотного удара

В большинстве случаев вес компонентов подвески не имеет значения. Однако на высоких частотах, возникающих из-за шероховатости дорожного покрытия, детали, изолированные резиновыми сайлентблоками, работают как многоступенчатый фильтр, более эффективно подавляющий шум и вибрацию, чем это возможно только с помощью шин и пружин. (Пружины работают преимущественно в вертикальном направлении.)

Вклад в вес без пружин и общий вес

Они обычно небольшие, за исключением того, что подвеска связана с тем, смонтированы ли тормоза и амортизаторы на несущих элементах. Это главное функциональное преимущество алюминиевых колес перед стальными. Алюминиевые детали подвески использовались в серийных автомобилях, а детали подвески из углеродного волокна широко распространены в гоночных автомобилях.

Занимаемое пространство

Конструкции различаются по занимаемому ими объему и расположению. Общепринято считать, что стойки Макферсона – наиболее компактная схема для автомобилей с передним расположением двигателя, где пространство между колесами необходимо для размещения двигателя. Бортовые тормоза (снижающие неподрессоренную массу), вероятно, избегают больше из-за ограничений по габаритам, чем из-за стоимости.

Распределение силы

Прикрепление подвески должно соответствовать геометрии, прочности и жесткости конструкции рамы.

Сопротивление воздуха (противодействие)

Некоторые современные транспортные средства оснащены регулируемой по высоте подвеской для улучшения аэродинамики и повышения топливной эффективности. Современные болиды Формулы-1, у которых открыты колеса и подвеска, обычно используют обтекаемые трубы, а не простые круглые трубы для рычагов подвески, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление. Также распространено использование подвесок с коромыслом, тягой или толкателем, которые, в частности, размещают узел пружины/амортизатора внутри кузова и вне воздушного потока для дальнейшего уменьшения сопротивления воздуха.

Стоимость

Методы производства совершенствуются, но стоимость всегда остается важным фактором. Продолжающееся использование цельной задней оси с неразрешённым дифференциалом, особенно на тяжёлых автомобилях, представляется наиболее явным примером.

Спринтеры и амортизаторы

Большинство традиционных подвесок используют пассивные пружины для поглощения ударов и амортизаторы для контроля колебаний пружин. Однако существуют заметные исключения, такие как гидропневматические системы, которые можно рассматривать как единый блок, объединяющий газовую пружину и демпфирующие элементы, применяемые французской компанией Citroën; а также системы Hydrolastic, Hydragas и резиновые конусы, использовавшиеся British Motor Corporation, в особенности на автомобиле Mini. Существовало множество различных типов каждой из этих систем.

Пассивные подвески

Традиционные пружины и амортизаторы называют пассивными подвесками — большинство автомобилей использует именно такую схему подвески.

Амортизаторы или амортизаторы ударов

Амортизаторы гасят колебания (в противном случае простые гармонические) кузова автомобиля, возникающие при движении вверх и вниз на пружинах. Они также должны гасить значительную часть подпрыгивания колес, когда непружинная масса колеса, ступицы, оси, а иногда и тормозов и дифференциала, подпрыгивает вверх и вниз за счет упругости шины.

Полуактивные и активные суспензии

Если подвеска управляется внешним воздействием, то это полуактивная или активная подвеска — она реагирует на сигналы от электронного блока управления. Например, гидропневматический Citroën "знает", на каком расстоянии от земли должна находиться машина, и постоянно корректирует положение, чтобы поддерживать этот уровень, независимо от нагрузки. Однако этот тип подвески не компенсирует крены кузова при поворотах мгновенно. Система Citroën увеличивает стоимость автомобиля примерно на 1% по сравнению с пассивными стальными пружинами. Полуактивные подвески включают в себя такие элементы, как воздушные рессоры и амортизаторы с изменяемыми характеристиками, различные системы автоматической регулировки уровня, а также системы, такие как гидропневматические, гидроэластичные и гидрагазовые подвески. Компания Toyota представила амортизаторы с изменяемыми характеристиками в 1983 году на автомобиле Soarer. В настоящее время компания Delphi продает амортизаторы, заполненные магнитореологической жидкостью, вязкость которой можно изменять электромагнитным путем, обеспечивая тем самым регулируемое управление без переключения клапанов, что быстрее и, следовательно, эффективнее. Полностью активные системы подвески используют электронный мониторинг состояния автомобиля в сочетании с возможностью изменения поведения подвески в реальном времени для непосредственного управления движением автомобиля. Компания Lotus Cars разработала несколько прототипов, начиная с 1982 года, и внедрила их в Формулу-1, где они оказались достаточно эффективными, но впоследствии были запрещены. Компания Nissan представила активную подвеску с ограниченной полосой пропускания примерно в 1990 году в качестве опции, которая увеличивала цену люксовых моделей на дополнительные 20%. Компания Citroën также разработала несколько моделей с активной подвеской (см. Hydractive). Полностью активная система от Bose Corporation, анонсированная в 2009 году, использует линейные электродвигатели вместо гидравлических или пневматических приводов, которые обычно использовались до недавнего времени. Компания Mercedes-Benz представила активную систему подвески под названием Active Body Control в своей флагманской модели Mercedes-Benz CL-Class в 1999 году. Также были разработаны несколько электромагнитных подвесок для автомобилей. Примеры включают электромагнитную подвеску Bose и электромагнитную подвеску, разработанную профессором Лорантью Энсикой. Кроме того, новое колесо Michelin со встроенной подвеской, работающее на электродвигателе, также имеет схожую конструкцию. С помощью системы управления различные полуактивные/активные подвески обеспечивают улучшенный компромисс между различными режимами колебаний автомобиля, а именно: вертикальными колебаниями, кренами, клевками и скручиваниями. Однако применение этих передовых подвесок ограничено стоимостью, габаритами, весом, надежностью и/или другими проблемами.

Соединенные подвески

Взаимосоединенная подвеска, в отличие от полуактивных/активных подвесок, способна легко разделять различные режимы колебаний транспортного средства пассивно. Взаимосвязи могут быть реализованы различными способами, такими как механические, гидравлические и пневматические. Антирольные стабилизаторы являются одним из типичных примеров механических взаимосвязей, в то время как было показано, что флюидные взаимосвязи обладают большим потенциалом и гибкостью в улучшении как жесткости, так и демпфирующих свойств. Учитывая значительный коммерческий потенциал гидропневматической технологии (Corolla, 1996), взаимосвязанные гидропневматические подвески также изучались в некоторых недавних исследованиях, и продемонстрированы их потенциальные преимущества в повышении устойчивости и комфорта транспортного средства. Система управления также может быть использована для дальнейшего улучшения характеристик взаимосоединенных подвесок. Помимо академических исследований, австралийская компания Kinetic добилась успеха с различными пассивными или полуактивными системами (WRC: три чемпионских титула; ралли Дакар: два чемпионских титула; Lexus GX470 2004 года признан внедорожником года с KDSS; награда PACE 2005 года). Эти системы Kinetic обычно разделяют как минимум два режима движения транспортного средства (крен, скручивание (артикуляция), крен вперед и/или вертикальные колебания (отбой)) для одновременного управления жесткостью и демпфированием каждого режима с помощью взаимосвязанных амортизаторов и других методов. В 1999 году Kinetic была приобретена Tenneco. Последующие разработки каталонской компании Creuat предложили более простую конструкцию системы, основанную на односторонних цилиндрах. После нескольких проектов в области соревнований, Creuat активно предлагает системы модернизации для некоторых моделей автомобилей. Исторически, первым серийным автомобилем с механической взаимосвязанной подвеской между передней и задней осями был Citroën 2CV 1948 года. Подвеска 2CV была чрезвычайно мягкой — продольный рычаг смягчал крен вперед, вместо того чтобы увеличивать сопротивление крену. Она полагалась на экстремальные антиклевковые и антиприседающие геометрии для компенсации этого. Это привело к меньшей жесткости при прохождении неровностей, которую антирольные стабилизаторы могли бы ухудшить. Подвеска с поперечными рычагами, а также встроенные передние тормоза имели значительно меньший вес неподрессоренных масс, чем существующие конструкции с витыми или листовыми пружинами. Взаимосвязь передавала часть силы, возникающей при наезде переднего колеса на неровность, на заднее колесо с той же стороны, прижимая его к дороге. Когда заднее колесо встречало эту же неровность чуть позже, оно делало то же самое в обратном направлении, поддерживая автомобиль в горизонтальном положении по продольной оси. 2CV был разработан с учетом возможности быстрой езды по вспаханному полю, например, фермером, перевозящим куриные яйца. Первоначально он оснащался трением амортизаторами и настроенными маятниковыми демпферами. Поздние модели имели настроенные маятниковые демпферы спереди и телескопические амортизаторы спереди и сзади. British Motor Corporation также была одним из первых, кто внедрил взаимосвязанную подвеску. Система под названием Hydrolastic была представлена в 1962 году на Morris 1100 и впоследствии использовалась на различных моделях BMC. Hydrolastic была разработана инженером по подвеске Алексом Моултоном и использовала резиновые конусы в качестве упругого элемента (они впервые были использованы на Mini 1959 года) с подвесными блоками с каждой стороны, соединенными друг с другом трубой, заполненной жидкостью. Жидкость передавала силу ударов от одного колеса к другому (по тому же принципу, что и механическая система Citroën 2CV, описанная выше), и поскольку каждый подвесной блок содержал клапаны для ограничения потока жидкости, также выполняла функцию амортизатора. Моултон продолжил разработку замены Hydrolastic для преемника BMC, British Leyland. Эта система, производимая по лицензии компанией Dunlop в Ковентри, под названием Hydragas, работала по тому же принципу, но вместо резиновых упругих элементов использовала металлические сферы, разделенные внутри резиновой диафрагмой. Верхняя половина содержала газ под давлением, а нижняя половина — ту же жидкость, что и в системе Hydrolastic. Жидкость передавала силы подвески между блоками с каждой стороны, в то время как газ действовал как упругий элемент через диафрагму. Это тот же принцип, что и в гидропневматической системе Citroën, и обеспечивает аналогичный комфорт, но является автономной и не требует насоса, приводимого в действие двигателем, для обеспечения гидравлического давления. Недостатком является то, что Hydragas, в отличие от системы Citroën, не регулируется по высоте и не имеет функции автоматической выравнивания. Hydragas была представлена в 1973 году на Austin Allegro и использовалась на нескольких моделях; последним автомобилем, в котором она использовалась, был MG F в 2002 году. Система была заменена на витые пружины с амортизаторами из-за экономических соображений к концу срока службы автомобиля. Когда производство было прекращено в 2006 году, производственная линия Hydragas была в эксплуатации более 40 лет. Некоторые из последних послевоенных моделей Packard также оснащались взаимосвязанной подвеской.

Типы

Системы подвески можно разделить на две основные подгруппы: зависимые и независимые. Эти термины отражают способность противоположных колес перемещаться независимо друг от друга. Зависимая подвеска обычно имеет балку (простую "картную" ось) или (ведущую) живую ось, которая удерживает колеса параллельно друг другу и перпендикулярно оси. При изменении развала одного колеса, развал противоположного колеса изменяется аналогичным образом (по соглашению, на одной стороне это положительное изменение развала, а на другой – отрицательное). Подвески типа De Dion также относятся к этой категории, поскольку они жестко связывают колеса между собой. Независимая подвеска позволяет колесам перемещаться вверх и вниз независимо, не оказывая влияния на противоположное колесо. Подвески, оснащенные дополнительными элементами, такими как стабилизаторы поперечной устойчивости, которые связывают колеса определенным образом, все равно классифицируются как независимые. Полузависимая подвеска – это третий тип. В этом случае движение одного колеса влияет на положение другого, но они не соединены жестко. Задняя подвеска с крутильной балкой является примером такой системы.

Полунезависимая подвеска

В полузависимых подвесках колеса одной оси могут перемещаться относительно друг друга, подобно независимой подвеске, однако положение одного колеса оказывает влияние на положение и крен другого колеса. Этот эффект достигается за счет скручивания или деформации элементов подвески под нагрузкой. Наиболее распространенным типом полузависимой подвески является торсионная балка.

Система подвески с наклоном

Система наклона подвески (также известная как система кренящейся подвески) не является иным типом или геометрией конструкции, а представляет собой технологическое дополнение к традиционной системе подвески. Этот тип подвески в основном состоит из независимой подвески (например, стойки Макферсона, A-образного рычага (двойной поперечный рычаг)). В дополнение к этим системам подвески, предусмотрен механизм наклона или крена, соединяющий систему подвески с кузовом (шасси) транспортного средства. Система наклона подвески повышает устойчивость, тягу, радиус поворота транспортного средства, а также комфорт пассажиров. При повороте направо или налево пассажиры или предметы в транспортном средстве ощущают центробежную силу или инерциальную силу, направленную от центра кривизны. Именно поэтому мотоциклисты наклоняются в сторону центра кривизны при повороте, что улучшает устойчивость и снижает риск опрокидывания. Однако транспортные средства с более чем двумя колесами, оснащенные традиционной системой подвески, не могли делать этого ранее, поэтому пассажиры ощущают центробежную силу, которая снижает устойчивость и комфорт. Данный тип наклона подвески является решением этой проблемы. Если дорога не имеет поперечного уклона или зауклонения, это не повлияет на комфорт при использовании данной подвески – наклон транспортного средства и снижение высоты центра тяжести повышают устойчивость. Эта подвеска также используется в развлекательных транспортных средствах. Некоторые поезда также используют систему наклона (Tilting Train), что позволяет увеличить скорость на поворотах.

Механизм качающегося тележка

Система «качалка-тележка» – это тип подвески, в которой используются траки с направляющими роликами. Благодаря шарнирному соединению между движущей секцией и последующими траками, эта подвеска обладает высокой гибкостью. Такой тип подвески подходит для передвижения по особо пересеченной местности. Этот тип подвески был использован в марсоходе Curiosity.

Рельсовые транспортные средства

Некоторые транспортные средства, такие как поезда, движутся по длинным рельсам, закрепленным на земле, а другие, например, тракторы, снегоходы и танки, – по непрерывным гусеницам, являющимся частью транспортного средства. Хотя оба типа помогают сгладить путь и снизить давление на грунт, многие одни и те же факторы следует учитывать.

Подвеска бронированных боевых машин

Военные бронированные боевые машины (AFV), включая танки, предъявляют особые требования к подвеске. Они могут весить более семидесяти тонн и должны двигаться как можно быстрее по пересеченной или мягкой местности. Компоненты их подвески должны быть защищены от противотанковых средств и мин. Гусеничные AFV могут иметь до девяти опорных катков на каждом борту. Многие колесные AFV оснащены шестью или восемью большими колесами. Некоторые имеют централизованную систему подкачки шин для снижения давления на грунт на неблагоприятных поверхностях. Некоторые колеса слишком велики и ограничены в поворотах, поэтому у некоторых колесных, а также гусеничных машин используется скользящее руление. Самые первые танки Первой мировой войны имели фиксированную подвеску, лишенную какого-либо хода. Эта неудовлетворительная ситуация была улучшена за счет использования листовых или витых пружин, позаимствованных из сельскохозяйственной, автомобильной или железнодорожной техники, но даже они имели очень ограниченный ход. С увеличением мощности двигателей росла и скорость, что потребовало улучшения качества хода. В 1930-х годах была разработана подвеска Кристи, которая позволяла размещать витые пружины внутри бронекорпуса машины, изменяя направление деформирующей пружину силы с помощью кривошипно-шатунного механизма. Подвеска Т-34 напрямую произошла от конструкций Кристи. Подвеска Хорстманна была ее вариантом, сочетавшим кривошипно-шатунный механизм и внешние витые пружины, и использовалась с 1930-х по 1990-е годы. Подвеска M3 Lee/Grant и M4 Sherman, хотя и независимая, была схожа с типом Хорстманна, с подвеской, размещенной внутри овала гусеницы. К началу Второй мировой войны другим распространенным типом была торсионная подвеска, получающая пружинящую силу от скручивания стержней внутри корпуса. Она иногда имела меньший ход, чем подвеска Кристи, но была значительно компактнее, обеспечивая больше места внутри корпуса и, следовательно, возможность установки башни большего диаметра и, как следствие, более мощного вооружения. Торсионная подвеска, иногда включающая амортизаторы, является доминирующей подвеской для тяжелой бронетехники со времен Второй мировой войны. Торсионные стержни могут занимать место под полом или рядом с ним, что может затруднить снижение силуэта танка для уменьшения его заметности. Как и в автомобилях, ход подвески и жесткость пружин влияют на плавность хода и скорость преодоления пересеченной местности. Важно отметить, что плавный ход, часто ассоциирующийся с комфортом, повышает точность стрельбы в движении. Он также снижает ударную нагрузку на оптику и другое оборудование. Неподрессоренная масса и масса тракового звена могут ограничивать скорость на дорогах и влиять на срок службы гусеницы и других компонентов машины. Большинство немецких полугусеничных машин и танков времен Второй мировой войны, таких как танк "Пантера", имели перекрывающиеся и иногда переплетенные опорные катки для более равномерного распределения нагрузки на гусеницу танка и, следовательно, на грунт. Это, по-видимому, значительно увеличивало скорость, дальность и срок службы гусеницы, а также обеспечивало непрерывную защиту. После окончания войны эта конструкция больше не использовалась, вероятно, из-за требований к обслуживанию более сложных механических деталей, работающих в грязи, песке, камнях, снегу и льду, а также из-за стоимости. Камни и замерзшая грязь часто застревали между перекрывающимися колесами, что могло препятствовать их вращению или приводить к повреждению опорных катков. Если один из внутренних опорных катков повреждался, для доступа к нему требовалось снимать другие катки, что усложняло и удлиняло процесс.